超深井套管卡瓦效应的拉伸极限载荷理论计算

针对新疆某油田超深井井口套管悬重过大,造成卡瓦牙对套管外壁齿入损伤,且累计损伤导致卡瓦悬挂器套管断裂失效的事故频繁,提出了“卡瓦效应的拉伸极限载荷”来评价井口卡瓦悬挂器夹持部分套管的强度设计,具体为基于第三强度理论和第四强度理论,分别建立了井口卡瓦悬挂器夹持套管的“卡瓦效应拉伸极限载荷”计算模型。计算结果表明,从安全角度评价套管强度,采用第三强度理论计算卡瓦悬挂器套管的卡瓦效应拉伸极限载荷更合理,但为更充分利用材料的力学性能,应采用第四强度理论进行评价,还得到在四通有限空间内,可以保证有较大的卡瓦效应拉伸极限载荷的最佳卡瓦半锥角为23°~25°,最佳卡瓦有效接触长度为135~145 mm。研究方法和结果将为卡瓦悬挂器井口套管的强度设计、各种安全施工作业等提供理论依据。

超深井射孔冲击动载荷引起封隔器断裂失效分析

中国超深层油气资源丰富,超深井油气开发过程中常采用一体化管柱完成射孔—试油—酸化三联作业,作业过程中超深井射孔冲击动载荷频繁导致封隔器断裂失效。为解决上述问题,基于弹塑性有限元法,结合实际井下测得的射孔管串起爆瞬态冲击动力学载荷边界条件,开展了新疆某地X1井射孔作业RTTS封隔器(全开式挂壁封隔器)—减震器管串瞬态冲击动力学有限元仿真分析,建立了减震器二阶带阻尼的质量—弹簧力学系统模型,从理论上对比分析了双减震器的减震效果与有限元分析结果的可靠性。研究结果表明:(1)在射孔爆轰0.09 s和0.21 s时刻,中心管接头螺纹处分别出现805.4 MPa和925.1 MPa两个应力峰值,超过了管材的屈服强度和抗拉强度,且冲击波引起的交变应力导致局部位置开始发生裂纹失效,裂纹逐渐扩展到整个截面,造成螺纹接头断裂;(2)根据仿真模型计算结果以及中心管结构尺寸分析,发现其螺纹部分结构尺寸偏小,导致峰值应力超过其抗拉强度造成断裂失效;(3)建议采用中心管上部螺纹连接处镦粗2~3 mm的改进方案,其最大应力可降低27%以上,可明显提高结构强度;(4)使用双减震器能有效降低射孔管串上部冲击载荷,理论计算指出双减震器比单减震器的振幅降低约50%,其最大应力降低约42%。结论认为,研究成果可为超深井RTTS封隔器管柱安全射孔作业提供理论和技术支撑,并将有力推动我国超深层油气资源的高效勘探开发。

高温高压井水泥环缺失对多层套管应力影响规律

由于高温高压井中,固井工况复杂,套管与水泥环之间会出现缺失现象,导致套管损坏,尤其多层套管时上述问题更为突出而复杂。针对上述问题,以准噶尔盆地南缘某高温高压高产气井为研究对象,建立了套管水泥环缺失套管水泥环套管地层轴对称有限元模型,模型中水泥环缺失处采用圈闭流体单元,岩石和水泥环采用EDP本构模型,相互界面间用接触力学有限元模型。研究结果表明,该模型能够准确分析复杂条件下水泥环缺失套管受力情况,解决了以前的模型无法模拟水泥环缺失处流固耦合问题;当套管环空出现环状缺失时,水泥环缺失的交界面附近应力最大且水泥环缺失处液体性质对套管强度有较大影响。为保证其井筒完整性,在深井、超深井中,建议优化水泥环返高,使水泥环不返到井口,减小固井段长度,消除水泥环缺失问题。

芯轴悬挂器高强度螺纹结构设计及评价研究

为了防止芯轴下端连接螺纹强度不足而造成失效事故,采用高温高压套管柱设计计算方法、有限元数值模拟和实验手段,对芯轴材料进行了力学性能实验,开发了一种用于芯轴悬挂器高强度螺纹结构,并在极限复合载荷下对该螺纹进行了三维有限元计算。研究结果表明,拉扭压复合载荷对外螺纹强度影响较大,压缩载荷对内螺纹内台肩第一牙应力影响较大,内外螺纹其余部位相对安全。拉伸载荷在一定程度缓解了上扣扭矩对内外螺纹台肩部位的影响。从计算结果得到内外螺纹整体上应力小于材料允许的屈服极限,且螺纹接头接触压力均大于外在流体压力,可以形成有效密封,研究结果为芯轴悬挂器螺纹结构的选型和使用提供理论基础。

油气井斜承载台阶面强度研究——以万米超深井超重送入钻杆45°台阶面为例

为应对钻探深度增加带来的井口设备超重载荷挑战,解决超重载荷承载台阶设计校核缺乏统一标准等问题,开展对承载台阶强度的研究。首先,建立考虑摩擦力的斜面台阶力学模型,提出承载台阶剪切失效模型下的计算公式,并对不同设计准则、安全系数和标准下的结果进行对比分析。然后,以万米超深井超重尾管设计的新型带45°斜坡的送入钻杆为例,结合理论分析与弹塑性非线性有限元,进行多种方法求解极限载荷研究,得到轴向的许用载荷和极限载荷,并对钻杆台阶面进行局部应变等评价。研究结果表明:所提出剪切失效公式可用于斜面台阶承载极限载荷计算,建议采用ASME BPVCⅧ-3规定的弹塑性方法进行精细分析,载荷系数取1.8计算许用极限载荷。研究结果为油气井行业中井口设备承载的斜台阶设计与计算提供理论基础与参考。

水平井完井管柱力学—数学模型建立

根据水平井井眼轨迹数据以及管柱上封隔器位置,建立了水平井完井管柱受力的力学模型,同时推导出了水平井完井管柱的有效轴向力的数学模型、管柱与井壁摩擦引起的附加力数学模型、流体摩阻引起的附加力的数学模型以及水平井造斜段曲率半径产生的轴向力的数学模型等。根据这些模型,文章开发了相应的水平井完井管柱强度设计的通用设计软件,建立了API油管和玻璃钢油管强度数据库。此力学—数学模型、油管强度数据库和所开发的软件在四川水平井气井中得到了应用,用开发的软件验证了4口井完井管柱强度设计。同时设计了两口水平井完井管柱的强度设计,证明了此力学—数学模型以及所开发的软件的实用性和可靠性。

水平井多级压裂管柱力学、数学模型的建立与应用

水平井多级体积压裂技术是近几年国内外为有效开发页岩气藏和低渗透油气藏而发展起来的一项新技术,但随之出现了压裂管柱力学环境更加复杂的新问题。针对该复杂的力学、数学问题,根据水平井多段压裂工艺管柱受力特点,建立了悬挂封隔器以下,多封隔器坐封、开启压差滑套和开启投球滑套3种工况的力学模型,并根据各工况的受力特征,建立了这3种工况管柱力学计算的数学模型。根据弹性力学理论中厚壁筒的Lame公式和Von Mises应力计算公式,推导出了管柱受内压力、外挤力和轴向应力共同作用下油管柱安全性评价的等效应力计算数学模型,建立了多级压裂管柱力学强度安全评价的数学模型;根据已建立的水平井多封隔器管柱力学计算的数学模型,开发了水平井多级压裂管柱力学安全评价的实用软件。该研究成果已经在新疆塔里木盆地塔河油田某气井得到了应用和验证,取得了很好的效果,为水平井多级压裂管柱安全工作参数的优化设计和安全性评价提供了理论依据和简便可靠的技术手段。

膨胀套管力学研究

美国Enventure公司已在中国石化胜利油田成功地完成了世界上第 2 0 0口和第 2 0 1口膨胀套管作业 ,也是目前国内仅有的两口膨胀套管井 ,文章针对这两口井的膨胀套管结构参数和材料特性参数进行了膨胀过程的力学研究。膨胀套管结构为J5 5钢级 10 7.9mm套管膨胀至 139.7mm套管内壁 ,用弹塑性有限元接触问题对膨胀套管膨胀过程的力学问题建立了有限元力学模型 ,并对其膨胀力学过程进行了详细研究。文中提出了膨胀套管力学研究的主要参数 ,通过计算机数值模拟分析 ,对这些主要参数进行了详细分析 ,针对力学行为最敏感的参数 -摩擦系数、膨胀锥角的变化进行了大量的组合分析 ,将膨胀锥角直线接触改为圆弧接触后 ,改善和降低了膨胀套管内的残余应力 ,提高了其强度性能。同时 ,优化出了研究的膨胀套管结构尺寸下 ,膨胀芯头的最佳锥角为 9.8°。文章研究结果对开发国内自主产权的膨胀套管结构设计、润滑设计等具有重要的指导意义。

膨胀套管计算机仿真分析

膨胀套管在我国还处于探索研究阶段 ,文章用弹塑性有限元接触问题建立了可膨胀套管膨胀过程的力学模型 ,对N80钢级材料的 114 .3mm套管膨胀至 139.7mm进行了膨胀过程详细的计算机仿真研究 ,给出了摩擦系数为 0 .0、0 .0 5、0 .1和 0 .15时 ,膨胀套管内等效应力、套管内的残余应力随活塞位置变化的定量曲线。在大量数值模拟的基础上 ,得出了膨胀套管内的残余应力随摩擦系数的增大而减小的规律 ,最大等效应力发生在活塞锥体部分的膨胀套管内。

基于数值模拟的复杂地层套管破坏机理研究

分析和评述了从 30年代以来国内外关于复杂地层套管破坏机理研究的发展过程和动态 ,提出目前尚未解决的问题就是“复杂空间力学系统地层”与套管破坏的各种耦合的数学、力学问题。因此提出首先要解决复杂地层数学模型、力学模型、以及地层与水泥环及套管之间的力学耦合问题 ,并且必须研究复杂地层遇水膨胀、地层滑动、地层蠕动、地表地层升降使套管破坏与地应力场状态关系 ,根据复杂地层套管破坏井段地质构造图、地震资料、测井资料及套管破坏特征 ,反演出整个研究地层区块现代地应力场。同时提出了用计算机数值模拟技术为主要研究手段及对现代地应力场的研究是今后复杂地层套管坏机理与预防措施研究的发展方向。该研究是一门综合性的、学科间大跨度交叉的边缘学科研究 ,将对地应力理论和推动地球科学、数理科学的发展具有重大的科学意义。

高压高产气井屈曲管柱冲蚀损伤机理研究

天然气在油管内高速流动对管柱造成冲蚀损伤,严重威胁气井生产和作业的安全。装有封隔器的管柱在井下各载荷作用下易发生屈曲变形,此时高压气体对管柱的冲蚀作用将更加严重,易造成井下管柱失效甚至井场事故。为此,根据发生屈曲后正弦弯曲和螺旋弯曲管柱内流道特点,以天然气流体动力学理论为基础,针对克拉2气田一口高压高产气井建立了油管的计算流体动力学模型(CFD模型)和气井出砂时砂粒对屈曲油管的冲蚀模型。对天然气在螺旋弯曲和正弦弯曲流道内流动规律进行了数值模拟,研究了砂粒对油管内壁的冲蚀速度和剪切力,得到天然气对弯曲油管的作用力以及屈曲管柱内的冲蚀规律,为实时准确地预测高产气井管柱的冲蚀损伤状态提供了依据,为管柱冲蚀损伤预防措施的提出提供了理论基础。

排砂管线弯接头的冲蚀机理研究

排砂管线是气体钻井中不可缺少的地面设备之一,在高压高产气井的钻井中存在安全隐患,常规情况下通常被人们忽略。排砂管线失效主要由高速气流中的固体颗粒冲蚀破坏,通常发生在弯接头部分。针对排砂管线弯接头的冲蚀失效情况,开展冲蚀破坏机理的理论研究和数学模型研究,对弯接头的冲蚀攻角、冲蚀函数、冲蚀颗粒形状系数以及固体颗粒的受力状况进行探讨。建立排砂管线弯接头的CFD有限元模型,可以任意改变弯接头的角度,定量地模拟不同工况下含有固相颗粒的多相流对弯接头的冲蚀速率和冲蚀机理,对排砂管线在气体极限流量100×104m3/d和50×104m3/d的工况下,对不同含砂量进行一系列的CFD仿真模拟,得出冲蚀速率随弯接头角度变化定量的关系曲线,为弯接头的结构优化设计提供理论依据。

裂缝宽度预测的有限元数值模拟

用断裂力学有限元法 ,建立了裂缝宽度预测的有限元模型 ,研究了川西定向井致密气层中裂缝宽度、裂缝长度及裂缝周围应力变化与液柱压力的关系。用弹塑性断裂力学有限元法来确定裂缝的宽度以及裂缝尖端处的应力强度因子 ,同时研究裂缝周围的应力变化 ,目的是通过大量的计算机模拟 ,找出裂缝宽度变化与井筒压力的关系 ,最终建立裂缝宽度与井筒压力、地层岩石力学特性参数及裂缝长度的预测模型。结果表明 ,同一井筒压力作用下 ,总能找到某一临界裂缝长度 ,使得应力强度因子达到最大 ,超过这一临界裂缝长度时 ,裂缝的开裂能力减弱 ,要使裂缝继续扩展 ,则必须提高应力强度因子。文章研究方法为预测裂缝宽度。

井壁附近垂直裂缝宽度预测

用断裂力学有限元法 ,建立了裂缝宽度预测的有限元模型 ,研究了鄂北塔巴庙地区低渗透砂岩气井中垂直裂缝宽度、裂缝长度及裂缝周围应力变化与压差的关系。结果表明 ,同一井筒压差作用下 ,总能找到某一临界裂缝长度 ,使得应力强度因子达到最大 ,超过这一临界裂缝长度时 ,裂缝的开裂能力减弱 ,要使裂缝继续扩展 ,则必须提高应力强度因子 ,根据岩石的应力强度因子和本研究的断裂力学模型 ,可以确定地层的破裂压力。文中不同压差下的裂缝宽度预测为裂缝屏蔽暂堵完井液中架桥粒子尺寸设计提供了依据。

塑性流动地层套管破坏的有限元分析

文中建立了套管、水泥环和地层互作用的弹塑性的有限元力学模型 ,用MSC .Marc软件的高度非线性功能对本文的复杂力学系统进行了一系列的计算机仿真模拟研究 ,为复杂地层套管破坏机理研究提供了简便、可行的方法。本方法可以反推地层载荷 ,为复杂地层套管破坏的预防措施提供了理论依据。

双层组合套管受均匀或非均匀载荷作用的强度分析

利用EPF软件对双层组合套管进行弹塑性有限元仿真分析，其结果与西德克劳塞尔技术大学M.Brkowsky等的试验结果完全一致，证明本文的弹塑性有限元力学模型、基本假设及弹塑性增量理论的应用是正确的。因此可利用EPF软件对任何组合形式下的套管，在计算机上进行均匀或非均匀载荷作用的模拟试验来取代实际试验过程，减少实验设备的投资及实际试验的一些困难。利用EPF软件已成功地为华北油田荆丘地区提供了套管的组合形式，并建立了强度分析及径向位移变化的数学模型。本文首次对组合套管受非均匀载荷作用进行定量研究，为组合套管强度分析奠定了理论基础。

双层组合套管内填充液体介质的力学分析

对双层组合套管内填充液体介质进行了力学分析，导出了该介质压力传递系数的具体表达式。分析了组合套管内壁等效应力随液体体积弹性模量K的变化规律，同时还分析了K＝1．7×103MPa时，组合套管内壁等效应力随外压Pw的变化规律，为研究组合套管环空介质及预防套管破坏提供了重要的理论依据。

钻进过程中井壁稳定性动态分析

现有的井壁稳定研究大多都属于静态的研究,并且将岩石近似为力学性质恒定的各向同性体,所得出的结论相对于钻井工作这一动态过程中所出现的真实情况会产生一定的误差。根据Mohr-Coulomb强度准则推导出的钻井液安全密度窗口计算公式,得到了适用的钻井液密度安全范围,然后利用有限元分析中的单元生死技术,模拟了钻井工程中井眼延伸和钻井液向地层渗透进而形成泥饼和污染带的过程,并将模拟得出的结果与理论计算出的钻井液安全密度窗口相结合,研究了在动态条件下更符合真实钻井过程的井壁应力变化规律。

特大井喷H_2S扩散的数值模拟分析

含H2S气体的高压井喷是一个非常复杂的扩散问题,涉及多组分气体的混合、运移、扩散、气象条件以及复杂的地形空间影响。为此,采用可行的计算流体动力学(CFD)对这一复杂的大空间流场问题进行了数值模拟研究,根据重庆开县特大井喷事故现场三维地貌等高线数据建立了井喷H2S扩散的CFD流场计算的有限元模型,结合当时气象条件,用Fluent软件的UDF功能编写了边界间歇风速的函数,数学模型中采用了适合于预测大气流动的大涡模拟运动方程,将CFD有限元模型和建立的数学模型用Fluent软件的解算器,对H2S气体的扩散和运移规律进行了详细的数值模拟研究,获得了H2S气体在该井场周围山谷地形的积聚、运移规律以及风向对气云扩散的影响,获得了H2S和CH4两种气体扩散的时空分布云图。模拟结果和事故现场调查结果一致。

高压节流阀流场分析及其结构改进

针对塔里木油田现有节流阀在现场使用过程中频繁出现的阀座刺穿和阀杆断裂等问题 ,对锥形和楔形节流阀 ,用Pro/E软件建立其三维CAD模型 ,通过数据转换 ,调入PhoenicsCFD软件进行流场分析 ,获得了寿命最高的楔形节流阀。通过对楔形节流阀进行结构优化设计 ,得到了最佳结构 (由 2段斜面组成 )的楔形节流阀 ,同时计算出了该楔形节流阀不同开度所对应的压降和流阻系数。油田应用证明 ,楔形节流阀的寿命是锥形阀的 5～ 7倍。